50052

ЯВЛЕНИЕ САМОИНДУКЦИИ

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: ознакомиться с явлением самоиндукции; изучить зависимость постоянной времени электрической цепи состоящей из катушки индуктивности и омического сопротивления от величины сопротивления; определить величины индуктивности катушки и магнитной проницаемости сердечника соленоида. Найдём функциональную зависимость силы тока от времени. 12 Величину t=L R называют постоянной времени цепи которая равняется времени за которое при разрядке...

Русский

2014-01-15

99 KB

24 чел.

Лабораторная работа № 5.30*

ЯВЛЕНИЕ САМОИНДУКЦИИ

Цель работы:  ознакомиться с явлением самоиндукции; изучить зависимость постоянной времени электрической цепи, состоящей из катушки индуктивности и омического сопротивления, от величины сопротивления; определить величины индуктивности катушки и магнитной проницаемости сердечника соленоида.

Приборы и принадлежности: генератор прямоугольных импульсов ГН-1, лабораторный стенд, электронный осциллограф «PicoScope 2203».

Краткие теоретические сведения

Явление самоиндукции заключается в возникновении ЭДС индукции в электрической цепи, обладающей индуктивностью, при изменении в ней электрического тока.

Электрический ток, протекая по проводникам, создаёт в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитный поток этого поля, сцеплённый с контуром проводника Y (потокосцепление самоиндукции), вычисляется по формуле

                                                      ,                                               (1)

где N – число витков соленоида. Интегрирование  в (1) ведётся по сечению соленоида.

При слабых магнитных полях и неизменных параметрах контура, как правило, потокосцепление пропорционально силе тока:

Y=LI.  (2)

Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура. Индуктивность характеризует способность проводящего контура создавать потокосцепление собственного магнитного поля с контуром проводника. Она численно равна потокосцеплению при силе тока, равной единице:

L=Y/ I.  (3)

Индуктивность измеряется в генри: 1Гн=Вб/А. Индуктивность - скалярная величина, не зависящая от протекающего по контуру тока (в отсутствии ферромагнитных сред).

Согласно закону электромагнитной индукции, возникающая в цепи ЭДС самоиндукции, равна скорости изменения потокосцепления самоиндукции:

es = - dY/dt. (4)

Если L - величина постоянная, то из (2) получаем

 ei = - L dI/dt.  (5)

Знак минус отражает тот факт, что в проводящем контуре ЭДС самоиндукции всегда препятствует изменению электрического тока, т.е. стремится поддерживать силу тока неизменной. Самоиндукция в электромагнетизме играет ту же роль, что и инерция в механике.

Используя выражения (1) и (3), можно получить формулу для индуктивности соленоида, выбрав поверхность интегрирования, перпендикулярную осевой линии соленоида.

                                                     L=m0 mN2S/l                                                   (6)

где m0=4p10-7Гн/м – магнитная постоянная, m - магнитная проницаемость сердечника соленоида, N - общее число витков, S - площадь поперечного сечения, l- длина соленоида.

Рассмотрим переходные процессы в индуктивно-резистивной цепи, которая состоит из омического сопротивления R, индуктивности L и источника ЭДС (рис.1).

По закону Ома для замкнутой цепи сила тока:

                                                       I=(e+es)/R.                                                           (7)

Учитывая  выражение (5), получим дифференциальное уравнение первого порядка

                                            I R=e - LdI/dt.                                                        (8)

Для  решения  уравнения (8) введём начальные условия: пусть при t=0, e=0 и I=0; при t>0, e=const и I=I(t). Найдём функциональную зависимость силы тока от времени. Для этого в (8) разделим переменные и проинтегрируем обе части уравнения, расставив пределы интегрирования с учётом начальных условий.

                                                              (9)

После интегрирования

I=(e/R)[1 - exp(-Rt/L)].    (10)

Согласно (10) и закону Ома для участка цепи, напряжение на активном сопротивлении                 R U=IR=e[1-exp(-Rt/L)],                                          (11)

а на индуктивности L

                                       es=- e exp(-Rt/L)=-e exp(-t/t).                                    (12)

Величину t=L/R называют постоянной времени цепи, которая равняется времени, за которое при разрядке величина напряжения на резисторе достигает значения U=0,63 Umax, а при разрядке напряжение на резисторе уменьшается в е раз. Графики зависимости U и es от времени показаны на рис. 2 и 3.

Поскольку реальные источники e обладают внутренним сопротивлением r, то постоянная времени

   t=L/(R+r) или 1/t=R/L+r/L.       (13)

Как видно из выражения (13), зависимость 1/t от R является линейной.

Порядок выполнения работы

Для определения постоянной времени t соберите электрическую цепь, состоящую из генератора прямоугольных импульсов ГН-1, омического сопротивления R, индуктивности L и осциллографа.

1. Соберите схему, представленную на рис. 4. С помощью  переменного резистора на блоке сопротивлений установить R=100 Ом.

2. Запустите программу «PicoScope», включите цифровой осциллограф.

3. На экране осциллографа получится график зависимости U=f(τ).

4.Установите автоматический диапазон входного сигнала осциллографа (меню ).

5. На панели настройки канала установите режим АС.

6. Нажмите клавишу автоматической установки ,  на панели захвата изображения,  получите оптимальное изображение графика на экране осциллографа.

7. Установите растяжку осциллограммы по горизонтали  (меню ) равное 16 и коэффициент развертки (меню ) равное 2ms/div  (панель настройки канала). Изменяя сопротивление пронаблюдайте на экране зависимость постоянной времени от величины сопротивления R.

8. Определите постоянную времени цепи  τ изменяя сопротивление в пределах от 100 до 500 Ом с шагом 100 Ом. Для определения постоянной времени τ необходимо по графику переходного процесса, измерить значение времени, с учетом знака, в начале графика (t1) и в точке, где U=0,63 Umax (t2). Для измерения t1(t2) подведите курсор и удерживайте левую кнопку мыши в требуемых точках. Полученные значения высвечиваются на экране. Рассчитайте, как τ = t2t1, результаты измерений занесите в табл. 1 Перед измерением времени остановите обработку данных осциллографом, нажав на панели  Запуска/Остановки клавишу .

9. Для получения  следующих графиков повторно нажать на панели  Запуска/Остановки клавишу .

Таблица 1

R, Ом

10-6, c

(1/t)×106, c-1

100

200

10. Рассчитайте величины 1/t для каждого значения R.

11. Постройте график зависимости 1/t = f (R) и убедитесь, что зависимость является линейной.

12. Рассчитайте величину индуктивности L по графику зависимости 1/t=f(R), где L является величиной, обратной тангенсу угла наклона прямой ,

13. Определите магнитную проницаемость сердечника соленоида, используя формулу (6), при заданных параметров соленоида: S=0.64 см2,  l=10 мм, N=30.

Контрольные вопросы

1. Явление самоиндукции.

2. Потокосцепление при явлении самоиндукции.

3. ЭДС самоиндукции. Индуктивность.

4. Графики зависимости напряжения на резисторе и ЭДС самоиндукции от времени.

5. Постоянная времени цепи t и ее зависимость от параметров контура.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32512. ДИСТАНЦИОННЫЕ ОЛИМПИАДЫ ПО ИНФОРМАТИКЕ 145.5 KB
  Избранные вопросы методики преподавания информатики ДИСТАНЦИОННЫЕ ОЛИМПИАДЫ ПО ИНФОРМАТИКЕ Дистанционные олимпиады по информатике этапы их проведения. Целью проведения компьютерной дистанционной олимпиады по какомулибо предмету школьной подготовки является улучшение преподавания этого предмета. Это улучшение достигается благодаря стимулирование интереса к изучаемому предмету с помощью Интернеттехнологий и использования сравнительного аспекта обучения; внедрение в учебную практику новых и эффективных методов обучения; методической...
32513. ГОРОДСКИЕ ОЛИМПИАДЫ И ПОДГОТОВКА К НИМ 388 KB
  Избранные вопросы методики преподавания информатики ГОРОДСКИЕ ОЛИМПИАДЫ И ПОДГОТОВКА К НИМ Олимпиадная информатика . Олимпиады это тот срез в образовании который проверяет не только владение предметом но и формирует тенденции развития этого предмета определяет требования к школе через этот предмет со стороны общества то есть то что называют социальным запросом. Школьные олимпиады по информатике как по содержанию так и по методике проведения можно считать сформировавшимся явлениям. Олимпиады по информатике Олимпиады...
32514. ШКОЛЬНЫЙ САЙТ 1.04 MB
  Избранные вопросы методики преподавания информатики ШКОЛЬНЫЙ САЙТ Назначение и примерная структура школьного сайта На сайте Школьный сайт http: www. Информационное сопровождение сайта создание рубрик и наполнение их актуальной достоверной информацией должно производиться редакцией в состав которой должны входить как преподаватели так и учащиеся. Группы пользователей регистрация и авторизация Администрирование и информационное сопровождение сайта должно проводиться уполномоченными пользователями администраторами редакторами.; при...
32515. ПРОЕКТНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ШКОЛЬНИКОВ И ЕЕ ЭТАПЫ 153.5 KB
  Большие возможности в этом отношении открывает метод проектов или метод учебных проектов наряду с другими нетрадиционными методами получающий сейчас всё большее распространение. Метод проектов это совокупность учебнопознавательных приёмов которые позволяют решить ту или иную проблему в результате самостоятельных действий учащихся с обязательной презентацией этих результатов. Метод проектов известный также как метод проблем возник ещё в 1920е годы в США. метод проектов нашёл широкое распространение и приобрёл большую популярность за...
32516. ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ В ФОРМЕ УСТНОГО ЭКЗАМЕНА И ТЕСТИРОВАНИЯ 82 KB
  Избранные вопросы методики преподавания информатики ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ В ФОРМЕ УСТНОГО ЭКЗАМЕНА И ТЕСТИРОВАНИЯ Итоговый контроль. Перечень экзаменационных материалов по информатике ничем не отличается от перечня материалов по другим предметам вопросы билеты практические задания. Не вдаваясь в глубокий анализ причин по которым это происходит необходимо тем не менее определить в каких границах учитель или методист свободен при составлении билетов: в настоящее время билеты по информатике рекомендованные МО РФ можно взять за основу...
32517. ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ В ФОРМЕ ЗАЩИТЫ РЕФЕРАТОВ И ПРОЕКТОВ 107 KB
  Одной из основных целей творческой работы в виде реферата является комплексное исследование проблемы с использованием различных источников информации. Специфической особенностью информатики является ее высокий интегрирующий потенциал: основным объектом информатики является информация соответственно рассматриваются эффективные методы и приемы работы с информацией; осваиваются средства обработки хранения восприятия и передачи информации в том числе универсальное средство компьютер; теоретические знания и знания технологии работы с...
32518. ИНТЕГРИРОВАННЫЕ УРОКИ И МЕТОДИКА ИХ ПРОВЕДЕНИЯ 1.19 MB
  1 Квадратный трехчлен 4 Решение уравнений и запись корней. 1 Решение неравенств и запись ответов. 1 Решение задач и запись корней. 1 Решение заданий.
32519. ЭКСКУРСИИ ПО ИНФОРМАТИКЕ И МЕТОДИКА ИХ ПРОВЕДЕНИЯ 73.5 KB
  Избранные вопросы методики преподавания информатики ЭКСКУРСИИ ПО ИНФОРМАТИКЕ И МЕТОДИКА ИХ ПРОВЕДЕНИЯ УРОКЭКСКУРСИЯ Самый термин экскурсия произошёл от латинского слова excurro экскурро что значит выбегаю. Следовательно само название экскурсии указывает на одну из существенных черт этой формы организации учебной работы а именно выведение учащихся за пределы школы к изучаемому объекту. Таким образом экскурсия характеризуется тремя существенными признаками: вопервых на экскурсии обучение и воспитание проводятся на основе...
32520. ДИСТАНЦИОННОЕ ОБУЧЕНИЕ И ЕГО ПРИНЦИПЫ 97.5 KB
  Термин дистанционное обучение означает конкретную форму обучения которая основана на конкретных технологических и методологических решениях и может дополнять другие традиционные формы обучения например очную классноурочную или в отдельных случаях заменять их например если учащемуся недоступны иные варианты связи с удаленностью места проживания или с проблемами со здоровьем. Название дистанционное образование не следует считать правильным поскольку под термином образование понимается весь процесс обучения и воспитания...